Control strategies for the traffic management of AGV-based transportation systems

Abstract

(English) Current research in fleet control of Automatic Guided Vehicles (AGVs) focuses on enhancing their efficiency and integration within industrial environments like manufacturing plants and warehouses. The AGVs are primarily used for material transportation and, when effectively integrated into factory workflows, offer significant advantages in terms of flexibility and scalability. This integration enables factories to dynamically distribute the work to processing stations and expand the system by adding new AGVs or workstations with minimal disruption. A major challenge lies in managing diverse AGV under a unified control system to maintain smooth operations as transportation demands vary. One core aspect of managing AGV fleets is traffic control in shared environments. Typically, these indoor spaces are pre-mapped, and all the AGVs share access to this map, which includes road networks and Points of Interest (POIs) like pick-up/drop-off zones, charging stations, and parking areas. Since these POIs can only be occupied by one AGV at a time, traffic management systems must address which AGV occupies which point, identify potential conflicts, schedule AGV movement out of parking zones, and decide which AGVs get priority at shared points. Another vital component is task allocation, i.e. determining which AGV should perform a specific task and when. This decision depends on multiple factors, including the AGV’s current location, battery status, load capacity, traffic conditions, and the urgency of the task. Efficient task allocation and traffic control are deeply interconnected; managing one often involves considerations of the other. For instance, by deciding the optimal timing of task execution, the system can reduce conflicts and enhance overall performance. While existing fleet management approaches address many of these issues, there remains considerable room for improving coordination, adaptability, and optimization in AGV-based transportation systems. This thesis explores various features of a multi-AGV-based transportation system, providing a comprehensive overview of its operational aspects. However, the primary contributions of this work are centered on three key areas. Firstly, it presents an efficient traffic management strategy designed to enhance the flow of AGVs within a Flexible Manufacturing System (FMS). This approach is evaluated through a comparative analysis with current state-of-the-art methods, demonstrating its effectiveness in optimizing traffic flow and minimizing delays. Secondly, the thesis delves into the practical application of the proposed traffic management strategy in real-world industrial settings. It assesses the spatial discretization of the AGV workspace and control periods in the implementation of the traffic management strategy in industrial environments, providing valuable insights crucial for bridging the gap between theoretical models and their practical deployment, hence ensuring effective integration into existing industrial processes. Lastly, the research investigates the impact of different task assignment criteria on the overall efficiency of the AGV system. By examining various strategies for allocating tasks to AGVs, the thesis identifies key factors that influence the performance of both traffic management and the entire transportation system. This analysis aims to refine task assignment methods to further improve the operational efficiency of AGV fleets, ultimately contributing to more streamlined and productive industrial workflows.

(Català) La recerca actual en el control de flotes de Vehicles de Guiatge Automàtic (AGVs) se centra en millorar-ne l’eficiència i la integració dins d’entorns industrials tals com plantes de producció i magatzems. Aquests AGVs s’utilitzen principalment per al transport de materials i, quan s’integren eficaçment en els fluxos de treball de les fàbriques, ofereixen avantatges significatius en flexibilitat i escalabilitat. Aquesta integració permet distribuir dinàmicament les estacions de processament i ampliar el sistema afegint nous AGVs o estacions de treball amb una mínima interrupció. Un repte important és gestionar diversos tipus d’AGVs sota un sistema de control unificat per mantenir la fluïdesa operativa davant variacions en la demanda de transport. Així, un dels aspectes fonamentals en la gestió de flotes d’AGVs és el control de trànsit en espais compartits. Normalment, aquests espais interiors estan premapats i tots els AGVs tenen accés compartit a aquest mapa, que inclou la xarxa de camins i Punts d’Interès (POIs), com ara zones de càrrega i descàrrega, estacions de recàrrega i àrees d’aparcament. Com que aquests POIs només poden ser ocupats per un AGV a la vegada, els sistemes de gestió del trànsit han de determinar quin AGV ocupa cada punt, identificar possibles conflictes, programar la sortida dels AGVs dels aparcaments i decidir quin té prioritat en punts compartits. Un altre component clau és l’assignació de tasques —determinar quin AGV ha de realitzar una tasca concreta i quan. Aquesta decisió depèn de múltiples factors dinàmics, com la ubicació actual de l’AGV, l’estat de la bateria, la capacitat de càrrega, les condicions del trànsit i la urgència de la tasca. L’assignació eficient de tasques i el control del trànsit estan profundament interrelacionats; gestionar-ne un implica considerar l’altre. Per exemple, si es decideix el moment òptim per executar una tasca, el sistema pot reduir conflictes i millorar-ne el rendiment global. Tot i que els enfocaments actuals de gestió de flotes aborden molts d’aquests aspectes, encara hi ha molt marge per millorar la coordinació, l’adaptabilitat i l’optimització dels sistemes de transport basats en AGVs. Aquesta tesi explora les diverses funcions d’un sistema de transport basat en múltiples AGVs, oferint una visió general completa dels seus aspectes operatius. Tot i això, les contribucions principals d’aquest treball es centren en tres àrees clau. En primer lloc, es presenta una estratègia eficient de gestió del trànsit dissenyada per millorar el flux d’AGVs dins d’un Sistema de Fabricació Flexible (FMS). Aquest enfocament s’avalua mitjançant una anàlisi comparativa amb mètodes d’última generació, demostrant-ne l’eficàcia per optimitzar el trànsit i minimitzar els retards. En segon lloc, la tesi aprofundeix en l’aplicació pràctica de l’estratègia proposada de gestió del trànsit en entorns industrials reals. S’avalua la discretització espacial de l’espai de treball dels AGVs i els períodes de control en la implementació de l’estratègia, oferint coneixement valuós per salvar la distància entre els models teòrics i la seva aplicació pràctica, assegurant així una integració efectiva als processos industrials existents. Finalment, la recerca investiga l’impacte de diferents criteris d’assignació de tasques en l’eficiència global del sistema AGV. A través de l’anàlisi de diverses estratègies d’assignació de tasques als AGVs, la tesi identifica factors clau que influeixen en el rendiment tant de la gestió del trànsit com del sistema de transport en general. Aquesta anàlisi pretén perfeccionar els mètodes d’assignació per millorar encara més l’eficiència operativa de les flotes d’AGVs, contribuint així a uns fluxos de treball industrials més àgils i productius.

(Español) La investigación actual en el control de flotas de Vehículos de Guiado Automático (AGVs) se centra en mejorar su eficiencia e integración en entornos industriales tales como plantas de fabricación y almacenes. Estos AGVs se utilizan principalmente para el transporte de materiales y, cuando se integran eficazmente en los flujos de trabajo de las fábricas, ofrecen ventajas significativas en términos de flexibilidad y escalabilidad. Esta integración permite a las fábricas distribuir dinámicamente el trabajo entre las estaciones de procesamiento y ampliar el sistema añadiendo nuevos AGVs o estaciones de trabajo con una mínima interrupción. Un gran desafío radica en gestionar diferentes tipos de AGVs bajo un sistema de control unificado para mantener la fluidez operativa operafrente a variaciones de las demandas de transporte. Así, un aspecto fundamental de la gestión de flotas de AGVs es el control de tráfico en entornos compartidos. Normalmente, estos espacios interiores están pre-mapeados, y todos los AGVs comparten acceso a este mapa, que incluye redes de caminos y Puntos de Interés (POIs), como zonas de carga/descarga, estaciones de recarga y áreas de aparcamiento. Dado que estos POIs solo pueden ser ocupados por un AGV a la vez, los sistemas de gestión del tráfico deben determinar qué AGV ocupa cada punto, identificar conflictos potenciales, programar la salida de los AGVs desde zonas de aparcamiento y decidir cuáles tiene prioridad en los puntos compartidos. Otro componente vital es la asignación de tareas: decidir qué AGV debe realizar una tarea específica y cuándo. Esta decisión depende de múltiples factores dinámicos, como la ubicación actual del AGV, el nivel de batería, la capacidad de carga, las condiciones del tráfico y la urgencia de la tarea. La asignación eficiente de tareas y el control del tráfico están profundamente interrelacionados; gestionar uno implica tener en cuenta el otro. Por ejemplo, al decidir el momento óptimo para ejecutar una tarea, el sistema puede reducir potenciales conflictos y mejorar el rendimiento general. Aunque los enfoques actuales de gestión de flotas abordan muchas de estas condiciones, aún existe un amplio margen para mejorar la coordinación, la adaptabilidad y la optimización en los sistemas de transporte basados en AGVs. Esta tesis explora diversos aspectos de un sistema de transporte basado en múltiples AGVs, proporcionando una visión general de sus características operativas. Las principales contribuciones de este trabajo se centran en tres áreas clave. En primer lugar, se presenta una estrategia eficiente de gestión del tráfico diseñada para mejorar el flujo de AGVs dentro de un Sistema de Manufactura Flexible (FMS). Este enfoque se evalúa mediante un análisis comparativo con métodos actuales de vanguardia, demostrando su eficacia en la optimización del tráfico y la minimización de retrasos. En segundo lugar, la tesis profundiza en la aplicación práctica de la estrategia propuesta de gestión del tráfico en entornos industriales reales. Se evalúa la discretización espacial del espacio de trabajo de los AGVs y los periodos de control en la implementación de la estrategia de tráfico, proporcionando información valiosa para cerrar la brecha entre los modelos teóricos y su aplicación práctica, asegurando así una integración efectiva en los procesos industriales existentes. Por último, en la tesis se analiza el impacto de diferentes criterios de asignación de tareas en la eficiencia general del sistema AGV. Al examinar diversas estrategias de asignación de tareas a los AGVs, en la tesis se identifican factores clave que influyen en el rendimiento tanto de la gestión del tráfico como del sistema de transporte completo. Este análisis tiene como objetivo refinar los métodos de asignación de tareas para mejorar aún más la eficiencia operativa de las flotas de AGVs, contribuyendo en última instancia a flujos de trabajo industriales más optimizados y productivos.